第一节微电子与计算机技术

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第三章 现代高新技术

“高技术”一词产生于20世纪60年代，是美国军事部门首先应用的，后来从经贸角度提出“高技术企业”的称谓。何谓高技术，不同的辞书、不同的国家看法略有不同，这同各国的具体国情有关。应该说，高技术不仅有科技的含义，还有经济、文化、社会的含义。这样，高技术是指以科学发现为基础，在一定历史时期的整个科技领域中起先导、主导作用，并推动同期经济飞跃发展和文化、社会巨大进步的新技术群，是知识、技术、人才和投资高度密集的各个技术领域的总称。高技术必定是新技术，但新技术未必是高技术。目前，国际上公认的并列入21世纪重点研究开发的高技术领域有生物技术、信息技术、航天技术、新材料技术、新能源技术和海洋技术等。

1986年3月，在四位著名老科学家王大珩(光学专家)、王淦昌(核物理学专家)、陈芳允(测量控制专家)、杨嘉墀(航天技术专家)的积极倡仪下，我国制定了《高技术研究发展计划纲要》，简称“863"计划。这个计划的指导思想是：为缩短我国在高技术领域同世界先进水平的差距，首先在一些重要领域对世界先进水平进行跟踪，力争有所突破。“863"计划中提出了7个技术领域的17个主题项目，将其作为研究开发的目标。这7个技术领域是：生物技术——包括高产、优质农作物和改造动植物的基因工程；基因工程药物、疫苗；基因治疗方法；蛋白质工程。航天技术——包括大型运载火箭、天地往返系统、载人空间站系统及其应用。信息技术——包括智能计算机系统；光电子器件和微电子；光电子系统集成技术；信息的获取和处理技术；通信技术。激光技术——包括短波长、高功率、高能量和高质量的激光器及其在核聚变、加工、生产、医疗和国防上的应用。自动化技术——包括计算机综合自动化制造系统；智能机器人。新能源技术——包括燃煤磁流体发电技术；先进核反应堆技术。新材料技术——包括光电信息材料；密度小、抗腐蚀的结构材料；特种功能材料；耐高温、高压的高韧复合材料等。 继“863”计划之后，1988年我国又制定了发展高技术产业的“火炬计划”。这个计划的主要宗旨是：使高技术成果商品化，高技术商品产业化，高技术产业国际化。

这两个计划实施以来，已经取得了令人瞩目的成就，在各个领域中都缩短了我国同世界先进水平的差距，在某些领域中还达到甚至超过了国际先进水平，如高温超导研究、核聚变装置、运载火箭等等。我国还陆续兴办了一批科技园、科学城、高新技术开发区、高新技术孵化器，建立了一批外资和合资高技术企业，参与了国际上一些大型高新技术研究课题，加速了我国高技术的进步和高技术产业化的进程。

高技术的发展，对我们国家来说，既是一种挑战，同时也是我们“后来居上”的发展机遇。只要我们抓住机遇，采取正确的战略，大胆创新，就有可能出现后发优势，实现21世纪中华民族的伟大振兴。

第一节 微电子与计算机技术

一、微电子技术

微电子技术是微小型电子元器件和电路的研制、生产以及用其实现电子系统功能的技术领域。在该领域中最主要的是集成电路技术，因此，微电子技术是随着集成电路技术，尤其是大规模集成电路技术的发展而发展起来的一门新兴技术。

与传统的电子技术相比，微电子技术不仅可以使电子设备和系统微型化，更重要的是它引起了电子设备和系统的设计、工艺、封装等方面的巨大变革。集成电路设计的出发点不再是单个元器件，而是整个系统或设备，像晶体管、电阻、连线等传统的元器件都是在硅基片内以整体形式互相连接的。

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1．晶体管与集成电路

微电子技术诞生的标志是1947年发明的晶体管，但微电子产业的快速发展是在1958年出现第一块集成电路之后。集成电路的历史虽然只有短短的40多年，但它给整个世界带来的影响却是极其深远的。可以说，没有微电子就没有今天的信息社会，就不可能有计算机、现代通信、网络等产业的发展。微电子技术正是信息社会的基石。

(1)晶体管的诞生。第二次世界大战期间，雷达的出现使高频探测成为一个重要问题，电子管不仅无法满足这一要求，而且在移动式军用器械和设备上的使用也极其不便和不可靠，因此，晶体管探测器的研究便得到广泛关注。前期的半导体理论和技术方面一系列重大突破，为晶体管的发明提供了理论及实践上的准备。

正是在实际需求牵引和技术驱动的共同作用下，1946年1月，贝尔(Bell)实验室成立了固体物理研究小组及冶金研究小组，并设计出了第一个晶体管，即在一个楔形的绝缘体上蒸金，然后用刀片把楔尖上的金划开一条小缝，并将该楔形体与锗片接触，在锗片表面形成间距很小的两个接触点。这两个接触点分别作为发射极和集电极，衬底作为基极。经过无数次实验，终于在1947年12月23日首次观察到了该晶体管的放大特性。从此，世界上第一个晶体管诞生了，拉开了人类社会步入信息时代的序幕。

(2)集成电路的发展。晶体管发明之后不到五年，即1952年 5月，英国皇家研究所的达默就在美国工程师协会举办的座谈会上第一次提出了集成电路(Integrated Circuit，IC)的设想。之后，经过几年的实践和努力，1958年，德克萨斯仪器公司(Texas Instrument)的工程师们发明了集成电路。尽管当时一块芯片上只能集成5个晶体管，但是这种将多个晶体管和电阻、电容元件集成在一块芯片内的新型器件，标志着半导体器件的制造工艺水平产生了飞跃。 集成电路的发明和发展，除了得益于一系列物理原理的重大发现之外，还得益于许多新工艺的发明。重大的工艺发明主要包括：离子注入工艺、扩散工艺、外延生长工艺、光刻工艺。从此，电子工业进入了集成电路时代。经过40余年的发展，集成电路已经从最初的小规模集成电路发展到目前的巨大规模集成电路和系统芯片，集成的元件数也从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十亿个。

集成电路的出现打破了电子技术中器件与线路分离的传统，开辟了电子元器件与线路甚至整个系统向一体化发展的方向，为电子设备的性能提高、价格降低、体积缩小、能耗降低提供了新途径，为电子设备迅速普及、走向大众奠定了基础。

几十年来，世界集成电路业的产值以大于13％的年增长率持续发展，世界上还没有哪一个产业能够以这样高的速度持续增长。从1968年开始，电子信息领域的论文总数已经超过钢铁业，预计在2007年左右，全世界集成电路业的总产值将超过钢铁工业。

(3)集成电路的应用。目前，微电子芯片已经成为现代工业、农业、国防装备和家庭耐用消费品的细胞。例如，在日本，每个家庭拥有的集成电路芯片平均在100个以上。

由于集成电路的原材料主要是硅，因此有人认为，人类自1968年已经进入了继石器时代、青铜器时代、铁器时代之后的硅器时代。

随着微电子技术的发展和微型计算机的产生，信息技术的应用得到极其广泛的普及，较重要的信息技术应用成果多达5000余种，人们将其概括为“3C”革命和“3A”革命。

“3C”革命是指通信(Communication)、计算机化(Computerization)和自动控制(Control)技术革命。“3C”革命将人类社会推向了划时代的信息新社会。

“3A”革命，又称为“三化”革命，是指工厂自动化(FA)、办公自动化(OA)和家庭自动化(HA)。“3A革命”的深入发展，将整个人类社会全面推向自动化。

2. 集成电路卡

集成电路卡，即IC卡。它是将集成电路芯片封装成模块并嵌入到塑料卡基中制成的卡片。IC卡是随着计算机技术和微电子技术的发展、结合而产生的一种信息存储媒体。法国的布尔

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(BULL)公司于1976年首先制造出IC卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、通讯等多个领域。

(1)IC卡的分类。

①按照IC卡与读卡器的通信方式，可将IC卡分为接触式IC卡和非接触式IC卡两种。接触式IC卡通过卡片表面8个金属触点与读卡器进行物理连接来完成通信和数据交换。非接触式IC卡通过无线通信方式与读卡器进行通信，通信时非接触IC卡不需要与读卡器直接进行物理连接。

②按照是否带有微处理器，比卡可分为存储卡和智能卡两种。存储卡仅包含存储芯片而无微处理器，一般的电话IC卡即属于此类。将指甲盖大小的带有内存和微处理器芯片的大规模集成电路嵌入到塑料基片中，就制成了智能卡。银行的IC卡通常是指智能卡。智能卡也称为CPU(中央处理器)卡，它具有数据读写和处理功能，因而具有安全性高、可以离线操作等突出优点。所谓离线操作是与联机操作相对而言的，它可以在不连网的终端设备上使用。离线操作不仅大大减少了通信时间，也能够在移动收费点 (如公共交通)或通信不顺畅的场所使用。 ③按照应用领域来划分，IC卡可以分为金融卡和非金融卡两种。金融卡又分为信用卡和现金储值卡；非金融卡是指应用于医疗、通信、交通等非金融领域的IC卡。

(2)IC卡的优点。IC卡的外形与磁卡相似，它与磁卡的区别在于数据存储的媒体不同。磁卡是通过卡上磁条的磁场变化来存储信息的，而IC卡是通过嵌入卡中的电擦除式可编程只读存储器集成电路芯片(EEPROM)来存储数据信息的。因此，与磁卡相比较，IC卡具有以下优点： ．

①存储容量大。磁卡的存储容量大约在200个数字字符；IC卡的存储容量根据型号不同，小的几百个字符，大的上百万个字符。

②安全保密性好。IC卡上的信息能够随意读取、修改、擦除，但都需要密码。

③CPU卡具有数据处理能力。在与读卡器进行数据交换时，可对数据进行加密、解密，以确保交换数据的准确可靠；而磁卡则无此功能。

④使用寿命长。

(3)IC卡的主要技术。IC卡核心是集成电路芯片，是利用现代先进的微电子技术，将大规模集成电路芯片嵌在一块小小的塑料卡片之中。其开发与制造技术比磁卡复杂得多。IC卡主要技术包括硬件技术、软件技术及相关业务技术等。硬件技术一般包含半导体技术、基板技术、封装技术、终端技术及其他零部件技术等；而软件技术一般包括应用软件技术、通信技术、安全技术及系统控制技术等。

①EEPROM技术。电擦除式可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)是IC卡技术的核心。该技术使晶体管密度增大，改善了性能，增加了容量，达到在同样面积上存储更大数据量的目的。

作为数据或程序的存储空间，EEPROM的数据可以至少保持 10年的时间，擦写次数达10万次以上。EEPROM技术还提供了很大的灵活性，通过设置不可修改的标志位，能够将EEPROM单元转变成可编程只读存储器、只读存储器或不可读的保密存储单元。

该技术的先进性使得带有保密存储器的IC卡得到快速发展和应用。例如，在各种收费系统(公用电话、电表、公路收费等等)及访问控制等领域获得了广泛的应用。以EEPROM为核心的 CPU卡也广泛应用于移动电话、银行部门、多应用卡及要求有公共密钥算法的高安全性应用领域。

②RFID技术。射频识别RFID(Radio Frequency Identification)技术是一种利用电磁波进行信号传输的识别方法，被识别的物体本身应具有电磁波的接收和发送装置。RFID系统使用的通信频段范围为＜135kHz或＞300MHz～GHz级。

射频识别IC卡是一种使用电磁波和非触点来与终端通信的 IC卡。使用此卡时，不需要

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把卡片插入到特定读写器插槽之中。一般来说，通信距离在几厘米至1米范围内。射频识别卡使用得较多，而且发展潜力较大。

射频识别IC卡有主动式和被动式之分。主动式卡是指卡片需要主动靠近读卡器，用户需要将卡在读卡器上晃过才完成交易；被动式卡不用出示卡片，只要走过读卡器的范围，即可完成交易。

目前世界上最先进的非接触IC卡就采用了独特的RFID技术。预计此种技术将有很大的市场潜力。

③加密技术。IC卡中的CPU卡采用特殊的加密技术，不仅可以验证信息的正确性，同时还能检查通信双方身份的合法性，从而保证信息传送的安全性。这是通过IC卡中存储的银行密钥与读卡器兼黑盒子中存储的银行密钥的相互校验来实现的，从而保证了持卡者本身和读卡器双方都具有合法身份。总之，采用先进的加密技术后，不仅具有高度安全性、严谨性，还具有灵活便捷、成本低等优势。

除上述技术之外，还有Java卡技术、IC卡ISO标准化技术、IC卡生物认证技术及数据压缩技术等软、硬件新技术。由于IC卡技术含量越来越高，功能越来越强，使得IC卡的应用领域不断向纵深方向拓展。

(4)IC卡的主要应用。IC卡的开发、研制与应用是一项系统工程，涉及到计算机、通讯、网络、软件、卡的读写设备、应用机具等多种产品领域的多种技术学科。因此，全球IC卡产业在技术、市场及应用的竞争中迅速发展起来。IC卡已是当今国际电子信息产业的热点产品之一，除了在商业、医疗、保险、交通、能源、通讯、安全管理、身份识别等非金融领域得到广泛应用外，在金融领域的应用也日益广泛，影响十分深远。

IC卡虽然进入我国较晚，但在政府的大力支持下，发展迅速。 1995年底，国家金卡办为统筹规划全国IC卡的应用，组织拟定了 (金卡工程非银行卡应用总体规划)。为保证IC卡的健康发展，在国务院金卡办的领导下，信息产业部、公安部、卫生部、国家工商管理局等各个部委纷纷制定了IC卡在本行业的发展规划。

①IC卡在银行系统的应用。银行卡大体分为两类：信用卡和储值卡。

信用卡，即贷记卡，有小额信贷功能，即可以小额透支。它要求持卡人有较高的信誉度，透支的钱应及时存入。

储值卡，即借记卡，不需要建档案，不需要担保，不能够透支，一般用于小额提取或消费。目前国内各商业银行所发放的银行卡大多数为借记卡。

据统计，发达国家的现钞流通量仅占流通实力的8％，基本上是信用卡及各种金融卡主宰金融市场。而我国的现钞流通量则高达25％以上，大量现金的“体外循环”为腐败现象的滋生和各种经济犯罪提供了生存土壤，不仅扰乱了经济秩序，还严重影响社会的稳定及人民币的价值和信誉。电子货币或银行IC卡的普遍应用，正是解决上述问题的有效办法。

目前的银行卡大多数仍为磁卡，在塑料卡片上有磁条和凸印字。磁条中记录账号和密码等基本信息，而实际款项存储在由网络连接的银行计算机硬盘上。用户提取或存入的款项在不同的银行账户之间进行资金往来。用户消费的款项由银行和商户之间进行结转和清算。这种磁卡在使用时需要访问主机账户，因此只能在联机处理时间内使用，其速度和稳定性取决于通信线路的质量，在网络达不到的场所则无法使用。

我国发展金卡的方针是“两卡并用，磁卡过渡，发展IC卡为主”。未来的发展趋势必将是IC卡逐步取代磁卡。

IC卡既可以由银行独自发行，又可以与各企事业单位合作发行联名卡。这种联名卡形成银行IC卡的专用钱包账户。例如，医疗保险专用钱包不得消费，不得提取现金，只能在指定医院等场所使用。当前，联名卡主要有保险卡、财税卡、交通卡、校园卡等多种。由于IC卡既方便又快捷，因此在发达国家已相当流行。亚特兰大奥运会期间，大量采用IC卡电子钱包，

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以支付交通、通讯、税收等费用。

②IC卡收费系统。它包括电费、水费、煤气费、通信费等各种消费资源费用的收取。该类系统可以提高管理效率和可靠性。通过预先收费，可以增加管理部门的可用资金，为居民提供优质服务，改变对资源先消费后收费的不合理状况。对于用户而言，IC卡收费可消除收费人员入户的骚扰和准备现金零钱的烦恼；同时，还有利于用户根据自家用电、用水、用煤气的情况，进行计划消费。

③IC卡医疗保险系统。随着我国医疗体制的改革，居民持保险公司发行的IC卡到医院就医，就医费用将由保险公司支付。医疗IC卡除了具有医疗费用的支付功能外，卡内还可以存储病人的病历。病人看病可以到不同的医院，医生可根据卡内的病历信息快速进行诊断和治疗。 ④公交管理系统。乘客持公交管理部门发行的预先付费IC卡乘车，上车时只需在汽车门口的收费机前晃一下(主动式卡)，收费机自动完成收费。这样，能有效地减少上下车时间，加快车辆周转速度，提高管理效益，杜绝贪污、假币现象。

其它，还有交警管理系统、工商管理系统、IC卡电子门锁、IC卡税务管理系统、高速公路收费系统等多种IC卡应用系统。

IC卡随着半导体技术、大规模集成电路芯片的发展而产生，也必将随着计算机技术、网络技术等的高速发展而迅速发展壮大。不断扩大IC卡的应用领域已成为社会发展的必然需求。

在全球IC产业市场竞争更加激烈的情况下，IC卡必然向更高层次方向发展。诸如从接触型IC卡向非接触型IC卡转移，从低存储容量的IC卡向高存储容量发展，从单功能IC卡向多功能 IC卡转化，从单系统的IC卡向多系统IC卡转化，由非银行系统转向银行系统应用，由民用转向军用，由局域网向因特网迁移等。新技术不断涌现，IC卡品种繁多，这充分说明了IC卡的强大生命力。在未来的几年中，IC卡将会越来越多地渗入到人们的生活中。

二、计算机技术

计算机是20世纪最重大的发明之一，对人类社会的发展有着极其深远的影响。在信息社会中，微电子技术是基础，计算机和通信设施是载体，软件技术是核心。

1．计算机的发展

计算机是一种能够快速地自动完成信息处理的电子装置，它能按照程序引导的确定步骤，对输入数据进行加工处理、存储或者传递，以便获得所期望的输出信息。

(1)第一台电子计算机。世界上第一台真正意义上的电子数字计算机——电子数值积分计算机埃尼阿克(ENIAC Electronic Numerical Integrator and Calculator)开始研制于1943年，1946年 2月交付使用。这台计算机是采用电子管作为基本元件的庞然大物，装有1．8万个电子管、7万个电阻器、1万个电容器和6000个开关，重达30t，占地面积150m2，耗电140kW。当它工作时，不得不对附近的居民区停止供电。

埃尼阿克用10进制进行计算，存储容量仅千位，平均无故障运行时间也只有7min，计算速度为5000次／秒、，仅相当于现在一台普通个人电脑的几千分之一。这在当时已经是划时代的高速计算机了。它主要用来进行弹道计算的数值分析，计算炮弹着弹位置所需要的时间比炮弹离开炮口到达目标所需要的时间还要短，一度被誉为“比炮弹还要快的计算机”。

经过多次改进后，埃尼阿克成为一台能进行各种科学计算的通用计算机，共服役9年。当时曾有人认为，全世界只要有4台这样的计算机就足够了。

埃尼阿克是人类计算工具发展史上一座不朽的丰碑。正是它同几年后制成的冯·诺伊曼(J．von Neuman)机一起，奠定了现代计算机原型。

(2)计算机的发展。按照计算机硬件结构及系统软件的特点，计算机分为四代。

①第一代(1946～1958年)计算机——电子管计算机。全世界共有100台左右的电子管计算机。其逻辑元件采用电子管；软件主要采用机器语言、汇编语言，使用穿孔卡片，主要应用

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于科学计算。其特点是：体积大、耗电大、可靠性差、价格昂贵、维修复杂。

②第二代(1958～1964年)计算机——晶体管计算机。其逻辑元件采用晶体管，体积大大缩小，耗电减少，可靠性提高，并把计算速度从每秒几千次提高到几十万次。硬件设备性能的大幅度提高，为软件的发展打下了物理基础。计算机的程序设计告别了机器指令的时代，适用于科学计算的 FORTRAN语言、面向商业应用的COBOL语言、通用性的PASCAL语言、简单易学的BASIC等高级编程语言纷纷问世，大大提高了编程的工作效率；同时，还出现了以批处理为主的操作系统。

此时的计算机主要应用于科学计算和各种事务处理，并开始用于工程控制。

③第三代(1964～1971年)计算机——集成电路计算机。60年代中期，计算机开始采用集成电路。计算机的体积、重量、功耗大幅度降低，性能大幅度提高。在外存储器方面，一种速度更快、纪录密度更高的磁盘成为该代计算机的主流。

在系统结构方面，出现了系列化兼容的大、中型机和小型机，其中最有影响力的代表机型是IBM公司的IBM 360(后来升级为 IBM370)和DEC(Digital Equipment Corporation，现已被康柏公司兼并)公司的PDP—11，二者分别成为大、中型机和小型机的主流机型，其体系结构成为事实上的国际标准。

在软件方面，出现了操作系统，算法语言也更加丰富和完善。由多台计算机通过通信线路互联起来构成的计算机网络开始出现，其典型的代表是美国国防部的ARPANET网。

④第四代(1971年至现在)：大规模集成电路计算机。在第三代之前，计算机技术主要集中在大型机和小型机领域发展，但随着超大规模集成电路和微处理器技术的进步，计算机进入寻常百姓家的技术障碍已层层突破。特别是从英特尔(Intel)公司发布其面向个人机的微处理器8080之后，这一浪潮便汹涌澎湃起来。

微处理器的问世不仅使个人计算机异军突起，同时也真正实现了计算机技术向各行各业、各个领域的渗透。微处理器的功能大、体积小，可以把它安装到各种生产工具和生活用具上。现在人们常常讲“机电一体化”，就是用微处理器改造传统的机器、通信设备和家用电器，使之接受处理器芯片的控制。

第四代计算机在实现微型化的同时，还实现了巨型化。它的运算能力则达到了第一台计算机的百万倍、千万倍甚至上亿倍。 1996年12月，美国耗资5500万美元制成了每秒可运算1．4万亿次的超级计算机，这台计算机的体积相当于57台冰箱，使用了9000多块“奔腾”芯片，可以在15s内完成笔算需要25万年、个人计算机需要2天才能完成的任务。它主要用来进行核试验、天气和自然灾害预报、基因研究、太空模拟试验等数据量非常巨大的研究工作。 我国在巨型机的研制上也拥有相当的实力，1997年6月19日，每秒浮点运算达100亿次的银河Ⅲ并行巨型计算机在我国研制成功，它标志着我国在高性能计算机的研制上实现了新的突破。

从1946年世界上第一台电子数字计算机诞生以来，到“微处理器改变全球”，仅仅经历了半个多世纪，它的发展速度是世界上任何其他技术所不能比拟的。迄今，世界上最快的计算机是康柏公司的代号为“Q”的超级计算机，它每秒钟能计算30万亿次。 IBM宣布，下一个目标是制造每秒100万亿次的超级计算机——蓝色基因(Blue Gene)。

2．微处理器的升级

在计算机的发展史上，20世纪70年代初问世的第四代大规模集成电路计算机具有特殊的重要意义。高度的集成化使得计算机的中央处理器(CPU)和其他主要功能可以集中到同一块半导体硅片(即微处理器芯片)上。其高度的集成性，不仅仅使体积缩小，更使速度加快，故障减少。

微处理器的不断升级为现代计算机插上了腾飞的翅膀，计算机技术经过多年的积累，终于驶上了用硅铺就的高速公路。

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(1)微处理器的崛起。1971年英特尔公司研制成功了第一台微处理器4004芯片。这块集成了2250个晶体管的芯片的面积只有(4．2×3．2)mm2，用10μm工艺制作而成，可执行46条简单指令，能控制的内存空间仅4K字节，然而其功能已相当于1950年时像房子那么大的电路板。

1981年，IBM公司采用8088为中央处理器，推出了IBMPC个人计算机，由于采用了全开放的结构和技术，PC机及兼容机得到了迅猛的发展。

表3—1列出了Intel微处理器芯片升级简况。除了Intel微处理器芯片外，另一个著名的芯片制造厂商摩托罗拉(Motorola)于1974推出了第一个8位微处理器M6800，1979年推出16位的M68000，与Intel形成竞争的态势。从80年代开始，可容纳几十万个和上百万个元件的超大规模集成电路相继出现，使得计算机的体积、重量和价格不断下降，而功能和可靠性不断增强。

由于微处理器的工作主频率决定每秒执行指令的速度，在计算机性能的提升过程中，微处理器始终扮演着引擎的作用。而微处理器的进步在硬件上又带动了相关零部件和外设的发展，同时也为应用提供了更好的平台，从而形成一个互相促进的加速循环过程。

集成电路问世以来，计算机性能提高了上万倍，价格却降至当初的1／10000。如今中学生手里的一台"586"台式计算机，其功能相当于60年代全世界计算机加起来的总和。一位德国工程师曾经感叹道，如果汽车工业也以这样的速度发展，则今天的一辆小汽车便只有5kg重，且时速高达5000km，而售价却只有1美元。

(2)摩尔定律。Intel创始人之一的戈登·摩尔(Cordon Moore)于1965年发表了著名的半导体工业摩尔定律。该定律指出，固态硅集成电路芯片上晶体管的数目每18个月增加1倍，也就是说半导体器件的性能每18个月提高1倍，其性能的提高主要是通过缩小晶体管的尺寸来实现的。摩尔定律的有效性已为30多年的历史所证实。

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自从美国英特尔公司1971年设计制造出4位微处理器芯片以来，在30年的时间内，CPU从Intel 4004，8008、8086、80286，80386，80486发展到Pentium 4，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位；主频从几兆到1GHz；中央处理器CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到2800万个以上；半导体制造技术规模由小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路，达到甚大规模集成电路。封装的输入／输出引脚从几十根，逐渐增加到几百根。

目前，芯片制造所采用的光刻技术已经开始接近极限，一种被称为EUV(Extreme Ultra Violet)的高级光刻技术被视为保证摩尔定律今后依旧适用的法宝，它可以使半导体制造商在芯片上蚀刻电路线的等级达到0．1μm以下。研究人员指出，其芯片性能可以比现在提高100倍，存储容量也可以达到目前的100倍以上。

利用EUV技术所生产的首枚芯片的时钟频率将达10GHz，而目前Intel和AMD所销售的最快的芯片速度为1GHz。对于这项下一代光刻技术所能达到的精度，可以将其类比为从航天飞机识别地球上一个区所需要达到的精度。

总而言之，1975年后的计算机大规模应用主要归功于英特尔公司发明了微处理器，并得到不断发展；其次要归功于软件的开发与研制，美国微软公司具有市场敏锐性和组织商务能力，在PC机刚问世的时候便投入操作系统软件的研制，并成为当今计算机操作系统的霸主。

三、人工智能技术

人工智能(Artificial Intelligence)是指用计算机模拟人的思维和推理过程。由计算机来表示和执行人类的智能活动，如判断、识别、理解、学习、规划和问题求解等，这就是人工智能。人工智能的研究对象和内容可概括为“机器智能、智能机器”。“机器智能”是研究如何提高机器的应用水平(主要指计算机应用的智能水平)；“智能机器”是研究如何设计高智能水平的机器(特别是智能计算机)的。目前，常见的人工智能系统有专家系统、知识库系统、智能机器人、机器视觉和模式识别、自然语言理解等。随着技术发展和社会进步，这些系统将获得越来越广泛的应用。

1．人工智能的发展

1950年，著名的计算机专家阿兰：图灵(Alan Turing)在《心灵》杂志上发表了一篇划时代的论文——《计算机器和智能》。在这篇论文中，图灵认为，机器能不能思维的问题应当用机器能否通过他设计的“图灵测试”的问题来代替。如果机器能通过这个测试，就可以说机器具有思维。虽然当时还没有机器能通过他的测试，但他认为，到20世纪末，人们所设计的智能机器将通过他的测试。

计算机诞生的初期主要用于帮助人们进行数值计算，在这方面，计算机表现出卓越的能力。与此同时，人们也开始尝试用计算机进行下棋、翻译语言和定理明等智能行为。在这方面，计算机的表现也非同凡响。1976年，美国伊利诺斯大学的阿佩尔在三台计算机上用了1200h，做出了200亿个逻辑判断，终于证明了100多年来人们一直想证明而没能证明的四色定理。这一成果说明：在专门领域内，计算机的运算能力远远超过了人类。1997年5月 11日，IBM“深蓝”计算机战胜了国际象棋大师卡斯帕罗夫。这是机器智能水平的一次荣誉记录，也是人工智能软件的一个成功范例。

(1)专家系统。人们解决问题时，不仅需要一定的策略，更需要有一定的技巧和知识，包括常识性和专门性知识。各个领域的专家之所以成为专家，其主要原因在于他们拥有大量的专门知识，特别是那些通过长期实践摸索出来的经验知识。因此，在一个模拟人类求解的程序中，不能没有知识，尤其是处理难解问题的专门知识。完善的知识系统加上合适的推理手段构成的智能系统，就是专家系统(Expert System)。专家系统的出现，标志着人工智能开始走向应用化阶段。

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专家系统是在某领域内具有专家水平，模拟专家的思维活动，推理判断，求解专门问题的计算机软件系统。专家系统一般包括 5个组成部分：知识库、综合数据库、推理机、解释器和接口。知识库一般是固定的；综合数据库一般包括控制策略、中间结果、假设、求解问题等；接口即系统同用户的界面。

专家系统有重要的应用，其应用的范围已经涉及到化学、医学、地质学、气象学、教育学及军事学等各方面。实践表明，专家系统的采用可以大大提高工作效率和质量。

今天，已经有成千个专家系统在各个领域工作。据统计，美国航空航天局的空间应用软件中有32％以上是基于人工智能的软件。

(2)知识工程。由于专家系统的知识都是由人事先整理后输入计算机的，工作量非常巨大，使得知识的获取就成为开发专家系统的瓶颈。计算机还远没有如人一样的自我归纳学习的能力，对高层次的智能虽已有近似专家的水平，但模拟低层次的智能，如听觉、视觉信息的识别还不如3岁小孩，对许多下意识的常识推理、不确定的知识和直觉思维无能为力。由此，知识工程应运而生。

知识工程就是在把人类知识整体与计算机结合的基础上，研究知识的结构、分类、预测、存取、获得、传输、转换、管理、利用、增殖、学习和表示等问题。

50年来，人工智能的这些成果是令人欣慰的，然而遗憾的是，还没有哪个系统能够通过图灵测试。不过，从事人工智能研究的许多专家现在仍然乐观地认为，随着功能更强大的计算机的出现，计算机的智能将很快达到和超过人类。

(3)机器视觉。它研究如何通过一副图像的阴影、形状、颜色、边界和纹理等基本信息来辨别图像。通过分析这些信息，可以推断出图像可能是什么。构造理论和机器视觉方面新理论在20世纪80年代已经开始应用到生产线上的相机和计算机中，用来进行质量控制。到1985年，美国有100多个公司生产机器视觉系统。

目前，在模式识别方面，各种印刷文字、图形、图像(如面部、指纹、印鉴等)的实际应用正在迅速开展。

(4)机器人。它分为民用机器人和军用机器人。日本的民用机器人数量最多。我国“863”计划智能机器人的研究已进入实用阶段，6km水下机器人应用获得成功，标志着我国成为世界上少数能研制这种尖端设备的国家之一。

美国正在研制的军用机器人有100多种，计划到2006年，将大幅度扩充无人战车的自主操作能力和机器人在整个武器系统中的大规模应用。

人工智能的应用研究并非一帆风顺。例如，20世纪80年代，美国国防部高级研究计划署支持的“智能卡车”项目的目的是研制一种能完成许多战地任务的机器人。由于项目缺陷和成功无望，五角大楼停止了对项目的支持经费。

尽管经历了种种挫折，人工智能仍在不断发展，新的技术不断出现。例如，模糊逻辑可以从不确定的条件中作出决策；人工神经网络被视为实现人工智能的可能途径。

人工神经网络是最近几年重新发展起来的一项新技术，是模仿生物神经系统中神经元及大量神经元互联的一种信息处理方法。由于人工神经网络的并行处理方式、自学习能力、记忆能力、预测事件能力，在分类、诊断以及基于分类的智能控制和优化求解方面，该系统比传统的专家系统有更优越的性能。

2．人工智能的应用

“智能化”是当前新技术、新产品、新产业的重要发展方向、开发策略和显著标志。例如，智能控制、智能自动化、智能管理、智能通信、智能计算杉L辅助设计、智能机器人、智能仪表、智能网络管理、智能优化、智能玩具、智能家电、智能汽车、智能材料、智能软件、智能仿真、智能商务等等，几乎任何应用都能利用人工智能技术。

人工智能应用的主要领域，也就是计算机应用的主要领域。哪里有计算机应用，哪里就可

专业知识

以应用人工智能；哪里需要自动化或半自动化，人工智能的理论、方法和技术就能在哪里派上用场。

(1)智能控制。人工智能在控制领域中的应用发展了新一代的控制技术——“智能控制”(Intelligent Control)，如专家控制、知识控制、神经控制、模式控制等。

智能控制为解决常规控制难以胜任和应用的问题提供了新途径。例如，缺乏准确数据、完备信息的难以建立数学模型的不确定和不确知的系统。智能控制比常规控制具有更高的智能水平，如具有自适应、自寻优、自学习、自识别、自组织、自协调等智能特性。

(2)智能管理。人工智能在管理领域中的应用发展了“智能管理”新技术和新一代的计算机管理系统，即“智能管理系统”，如智能管理信息系统、智能办公自动化系统、智能决策支持系统等。

智能管理系统不仅比常规的计算机管理系统具有更高的智能水平，可以为非结构化、半结构化的管理决策提供信息服务和决策支持，而且具有更全面的管理功能，能够同时具备信息管理、事务处理、决策支持等多种功能。

(3)智能通信。人工智能应用于通信领域，促进了“智能通信”技术的发展。为了保证通信及时，减少通信拥塞，需要压缩所传输的信息量。传统的信息压缩技术是采用各种信号编码的方法，人工智能的应用为信息压缩提供了新的途径。例如，具有“公共知识库”的智能通信系统，由于在发送端与接收端都采用了公共知识库，所以信道中只需要传输公共知识库中没有的新信息，从而压缩了信道传输的信息量。

(4)智能CAD。计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)是计算机应用的重要领域，因而也是人工智能的重要应用场合。传统的CAD技术只是辅助设计人员进行绘图方面的工作，可以实现某些绘图业务的半自动化。

智能CAD系统应用人工智能方法和技术，可以提高CAD系统的智能水平。它不仅可以辅助绘图工作，而且能够模拟、延伸、扩展设计人员的智能，以实现设计工作的半自动化。

3．人工智能的发展策略

人工智能软件严业化主要体现在解决国民经济、科技、军事匝用的迫切问题中采用人工智能技术，并与其他技术协同解决问题。例如，一个智能棋奕系统，包括启发式搜索、博奕算法、模式匹配、棋奕规则、并行处理等技术的综合。从人工智能应用系统开发的经验和教训中，可以总结出一些行之有效的策略。

(1)集成化。人工智能的新方法、新技术的应用，不一定要完全取代或排斥常规的或传统的方法和技术，采取“相互结合、取长补短”的“集成化”策略会更有效、更实用。例如，在智能控制系统中，不一定用“专家控制”去取代“常规控制”，而是要相互结合，构成上下两级的集散控制系统，上级为“专家控制”，运用控制专家的知识和经验，优选常规控制的参数，进行自整定；下级仍可用原有的“常规控制”系统。这样，使得性能价格比更高，也便于用户的现场改造和操作维护。

(2)协调化。计算机管理的大量实践经验表明：人机协调是成功的关键；人机失调是失败的原因。因此，如何将人工智能的方法和技术应用于计算机管理领域，设计和建造人机协调的智能管理系统，具有重要的意义和价值。

一方面，要将人工智能、模式识别、机器翻译、自然语言理解与生成，以及多媒体、三维动画、虚拟现实等方法和技术应用于设计和实现“人机智能界面”，以便进行人机友好交互、自然通信。另一方面，要正确地设计智能管理系统，进行人机合理分工，实现人机智能结合，以便人和计算机各得其所，各尽所能，取长补短，相互协调。例如，人机协调智能结合的基于专家系统的“智囊团决策支持系统”、设计者与计算机协调的具有集成智能的计算机辅助设计系统等。

(3)网络化。这是计算机及其应用系统的发展趋势，因此也是人工智能应用系统的发展方

专业知识

向和开发策略。

一方面，要开发基于计算机网络的适用于网络环境的人工智能应用系统，如分布式人工智能系统、群体专家系统、大型知识工程以及相应的设计方法和实现技术。例如，广义知识表达方法、分布式知识库、分布式推理机、多智能主体(Agent)技术等。另一方面，应将人工智能的方法和技术应用于计算机网络，研究与开发“智能网络”系统。人工智能应用系统的“网络化”，既可以适应信息高速公路的环境，也可以促进信息高速公路向“智能化”方向发展。

上述的“集成化”、“协调化”、“网络化”不仅是人工智能应用系统的发展方向与开发策略，而且也是人工智能学科及其方法、技术的发展方向与开发策略。

4．人工智能的前景

据机器人研究者莫里维克在2000年3月(科学美国人)杂志上的说法，计算机要模拟人脑，普通个人计算机的功能至少必须提高100万倍以上。如果按当前计算机的发展速度，那么填平计算机与人脑之间的鸿沟只需30～40年的时间。因此，到2040年，计算机的智力水平将与人

14类相当。到2050年，基于计算机的每秒执行1×10条指令的机器人“大脑”将开始与人类竞

争。

机器的智能化程度越高，人们的工作效率就会越高。第一，日益发达的智能技术在生产上的应用将大幅度提高劳动生产率；第二，人工智能既可以使人脑从乏味的、重复性的工作中解脱出来，也可以使人们从危险的或有碍健康的工作中摆脱出来；第三，人工智能将导致生活方式的变化，人们的闲暇时间将更多，工作时间将更短；第四，人工智能在网络上的应用，将打破语言的障碍，减弱文化的隔离状态，从而增强全球的交流。

然而，人工智能的目的不是代替人类智能，不应指望在不远的将来研制出不必人类动脑的智能计算机来。像其他技术一样，人工智能也有负面的特性，如“思维萎缩”问题。在工业革命期间，由于各种机器的普遍使用，从而导致许多手艺失传。人们在智能时代也可能会失去一定的智慧技能，会做快速简单计算的儿童将越来越少。这就需要识别哪些是人类最基本的思维技能，并加强训练，从而保证这些技能不仅不会减弱，而且要增强。

总之，人工智能是20世纪后50年的伟大创造，在未来50年，将获得极大的发展，它将大大地改变人们的生活面貌。

四、计算机技术的发展趋势

目前，人类正在试图研制以人工智能为基础的新一代计算机。它将具有处理人的自然语言的能力，实现人机对话，而且有高度的智能——不仅可以在生产现场进行各种作业，而且能在办公室和商业服务等行业从事多种智力型劳动或服务工作。

1．语音技术的应用

让计算机听懂人的语言是20世纪人类的理想之一，语音识别和语音合成技术的应用将成为新一代计算机发展的一个趋势。

从20世纪90年代起，对语音技术(包括语音合成和语音识别)的研究取得了质的飞跃。微软公司总裁比尔·盖茨(Bill Gates)认为，下一代的操作系统以及应用程序的用户界面将摒弃键盘和鼠标，代之以真正意义上的人机对话。在经历了几十年以键盘、鼠标、显示器为工具的人机交互之后，应用语音技术可以使计算机“能听会说”，同时还能准确地实时翻译，更加方便使用。

(1)机器翻译。实现机器翻译的第一步就是语音识别，只有让机器“听懂”人的语言之后才谈得上翻译。目前，机器翻译大多停留在从文本到文本的书面阶段，而不是直接从语音到语音的翻译。国内市场上销售的文本翻译软件已达10余种，其正确率为80％～85％。显然，这与人们理想中“能听会说”的智能翻译机相距甚远。可以相信，智能翻译机将随着语音识别技术的突破而走向实用，终会有一天，它将同个人计算机集成在一起。

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(2)用语音下达指令。语音识别将成为数字化时代的生活方式。例如，在“智能型房屋”、“智能型汽车”中，语音技术将在其中扮演着不可缺少的角色。国外的一些著名汽车公司希望研制出“数字式的、能听会说并具有一双慧眼的、优良的后座驾驶式汽车”，从而告别目前汽车驾驶依赖于人们的双手的阶段。那时的汽车，只要车主告诉它行车路线和地点，便可直达目的地。目前，这种新式汽车已进入阶段性的研究，而不再只是科学幻想。

(3)语音信息服务。随着语音合成技术的发展，语音查询系统将彻底摈弃传统的数字预录音回放技术，使海量信息和动态信息查询得到完美解决。对于信息高度发展的未来，以语音技术应用为基础的查询系统将成为信息服务的主流。

(4)军事和刑侦。语音识别还可用于军事和刑侦方面。每个人的声音就像指纹一样彼此相异，可以根据人们语音的特征来判断特定人。例如，对于高精密度的核启动系统，除了传统的总统密钥的制约外，指挥对象的语音将作为核系统的最后一道安全密钥 (声钥)加以制约。只有当系统最后确认是总统本人在即时地发布命令时，核系统才会启动倒计时装置。

在刑侦破案方面，嫌疑犯的语音数据将被作为破案的重要依据，并以此为线索追踪嫌疑犯。利用语音技术破案在国外已开展了一段时间，我国近年来也已对此进行初步尝试。

可以预见，在21世纪，语音技术的发展将迅速走进大众的生活，它将使人们的学习、工作、生活和娱乐更加丰富多彩。

2．虚拟现实环境

计算机信息系统用来收集、储存、传送、加工处理和利用信息，而信息传送可分为三个阶段：单纯符号信息传送阶段、多媒体信息传送阶段、虚拟现实信息传送阶段。

(1)单纯符号信息。20世纪90年代以前的计算机中主要有三种信息：数据信息、文字信息和字符信息。数据信息也称为数值信息；文字信息和字符信息统称为非数值信息；数值信息和非数值信息又可以统称为符号信息。各种信息均以符号的形式在计算机系统中流动和相互传送。

(2)多媒体信息。20世纪90年代是多媒体信息时代。多媒体信息载体不仅有符号信息，还有音频、图形、图像、动画和视频信息。多媒体信息存储和传递技术，使人和计算机之间的交互更加简便，对信息的收集、加工处理、存取和利用更加自然。人们利用多媒体信息技术，全面协调地实现了声像、图文一体化，产生出生动的信息效果。

多媒体信息传递技术的应用极为广泛。例如，在商业应用中有多媒体导购、导游、导医等。随着多媒体技术的发展，各种声、图、文协调统一的多媒体信息产品大量涌向社会，如各类字典、书籍、地图、计算机辅助教学等产品。

(3)虚拟现实。信息处理的声、图、文一体化，将从二维、三维向虚拟现实(Virtual Reality)过渡，利用虚拟现实技术创建一个与真实世界极其相似的虚拟世界，创造出更加和谐的人机环境。

高级的虚拟现实技术提供特制的头盔、眼镜、手套及服装，使人感受到立体声、立体视觉、触觉等感觉。人与虚拟情景可以相互作用，真有身临其境之感。

虚拟现实有别于可视化环境。可视化环境只能使用户通过监视器从外向内观察显示的空间，无法做到身临其境。而虚拟现实创建了一个相当逼真的三维视听、触摸和感觉的虚拟空间环境。用户或参加者通过虚拟现实技术进入该环境，通过计算机与该环境交换信息，从而亲身感受三维逼真环境并进行各种活动和操作。

人们正在深入研究和探讨虚拟现实和真实现实之间的关系，创建各种逼真的虚拟现实演示系统、操作系统和应用系统。利用虚拟现实技术可以使人们确实感觉到计算机展现的时空的存在，各种应用能够以新颖、真实的面貌为人类服务，如虚拟银行、虚拟医院、虚拟展览会和虚拟游乐场等。今后，虚拟现实技术将有更大的发展，首先值得重视的是在教育和职业培训中的作用。

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近年来，虚拟实境描述建模语言VRML(Virtual Reality Modeling Language)已成为信息技术业界的一种标准语言，人们利用 VRML，可以在因特网上建造三维虚拟世界，也可以在因特网上更替和变换虚拟世界。利用VRML浏览器(如COSMO)，可以在一个虚拟现实的场景中自由移动，与虚拟场景具有良好的交互性，还可以与其中的实体进行相互联系。

由于VRML支持多媒体技术，支持复杂的脚本和人机交互，因此在虚拟现实世界开发研制中，要求有关设计人员和编程人员、导演、动画师、造型设计和实施人员进行密切的合作，充分发挥各类科技人员的聪明才智，不断提高三维空间的设计、研制能力，创建出更加丰富多彩的三维新世界。

3．计算机技术与应用的新发展

计算机自问世以来，为满足应用的需要，一直在不断变化，需求牵引、技术推动使计算技术迅速地发展起来。

(1)移动存储走向闪存时代。自从计算机诞生以来，数字化存储概念便应运而生。伴随着IT产业的飞速发展，存储技术也得到了空前的进步。存储的移动化和网络化反映了应用的变化。这种应用的变化使得只适用于小型文件简单备份和数据交换的软盘已经无法满足人们对数据交换的需求，基于闪存(Flashmemory)的存储产品正在成为移动存储的主流载体。

闪存是不易丢失存储器中的一种，即使除去电源，存储器其中的信息依旧保留。之所以有这个名称，只因为信息在闪电式的一瞬间被存储下来。与其他存储器相比，闪存具有体积小、密度高、性能更稳定、功耗低等独特优点。

闪存的容量一般在8MB～2GB之间，并将随着技术的发展扩大容量。它是一种可擦写的存储器，依靠改变内部正负电荷的排列顺序记录数据。由于采用电读写介质，闪存完全不受磁性干扰和影响，这是它与传统磁介质存储器最大的不同，其擦写次数已经达到了100万次以上，在擦写时并不需要额外的电源(／由于内部没有机械移动部件，在受到撞击时数据损坏的概率大大降低，数据可保存10年。

闪存是通过USB(通用串行总线)接口与个人计算机实现数据交换的，通常俗称为“优盘”。USB接口已成为目前计算机的标准配置，因此USB闪存的兼容性非常好。由于USB接口具有热插拔功能，因此USB闪存可以实现真正的即插即用。由于闪存不需要磁头寻道，所以其内部的读写速度很快，随机访问时间为 6ms，是硬盘的一半，平均读取速度为0．9MB／s，平均写入速度为 0．8MB／s，瞬间的最高速度为1MB／s。制约闪存数据交换速度的瓶颈在USB接口速度，这一问题在USB2．0接口普及后有望得到彻底解决。闪存产品省去了CDR／CDRW读盘刻碟的时间，没有移动硬盘那样笨重的机体，便于实现移动存储。各种方便的功能和低廉的价格使闪存数据盘将成为软磁盘的更新换代产品。

闪存不仅适合于计算机、电讯设备、移动电话、网际设备、仪器和自动化设备中，还特别适用于那些面向消费者的语言、影像和数字存储设备，如数码相机、数码录音器以及掌上电脑、个人数字助理等一大类智能家电产品。伴随着技术的发展，各种性能更高、容量更大、成本更便宜的闪存，不仅将出现在未来的迷你型数码产品中，甚至还有可能取代CD、VCD或DVD等存储媒介，成为主流的信息传播载体。

(2)纳米计算机。当代计算机硬件的基础是微电子技术，即以硅为主要原材料的大规模集成电路技术。集成电路中能对信息进行加工处理的是执行开关、放大等功能的晶体管，它们是现代计算机中最重要的积木块。一个芯片上能容纳的晶体管越多，计算机的存储能力就越大，计算机能力就越强。很多专家把目光投向了最基本的物理原理上，认为未来以分子、原子、光子、量子为代表的新技术将推动新一轮超级计算技术革命。

“纳米”技术是指在纳米级别上对材料进行加工处理的科学技术。1纳米为10亿分之一米，大约相当于10个原子的直径。使晶体管变小的最常用方法是等比例缩小。按目前的工艺水平，芯片中晶体管的直径大约为350纳米。当晶体管尺寸缩小到100纳米以下，芯片上集成

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电路的尺寸会因为间隙过于狭小而面临相互干扰、散热困难等难以逾越的障碍，使得传统微电子晶体管的基本工作原理不再适用，达到了器件的物理极限。因此，100纳米常称为“0．1微米界”。

为保持计算速度和存储容量仍以现有的速率提高，必然要求晶体管技术有所变革，提出纳米电子晶体管的新设计。纳米技术中最基本的概念就是原子可以离散地组织在一起。这就意味着物质可以被当作若干个能够自我复制的微型机器来操作。如果能够把物质中的细小微粒应用到智能化的机器当中，可能使计算技术发生翻天覆地的变化。电子纳米计算机仍然是以电子储存和运动来处理信息。作为晶体管的替代物，许多新的纳米级器件都采用量子效应来控制电子的运动，以便避开对体效应晶体管过度缩小的做法。电子式纳米计算机可能会是现代计算机继续发展达到的下一个目标。

(3)生物芯片。生物芯片技术的出现是微加工工艺、有机化学、分子生物学和遗传学等学科相互结合、相互渗透的结果。许多这样的设施和技术都利用了在过去40年中由半导体工业发展起来的现已较成熟的微加工技术。通过微加工技术和微电子技术在固体芯片表面构建的微型生物化学分析系统，将现在生命科学研究中许多不连续的、离散的分析过程，如样品制备、化学反应和定性、定量检测等手段集成于指甲盖大小的硅芯片或玻璃芯片上，使这些分析过程连续化和微型化。也就是说，将现在需要几间实验室、检验室完成的技术，制作成具有不同用途的便携式生化分析仪，使生物学分析过程全自动化，分析速度成千上万倍地提高，所需样品及化学试剂则成千上万倍地减少。它将彻底改革研究所和临床诊断实验室进行许多重要的分子生物学实验、鉴定及检测时所使用的方法。

生物芯片技术将给21世纪生命科学和医学研究带来一场革命，用它制作的“微机”必将代替人类进行复杂的检验工作。在不远的将来，用生物芯片制作的微缩分析仪将广泛地应用于分子生物学、医学基础研究、临床诊断治疗、新药开发、司法鉴定、食品卫生监督、生物武器战争等领域。

国际权威杂志认为，“微处理器使我们的经济发生了根本改变，给人类带来了巨大的财富，改变了我们的生活方式。然而，生物芯片给人类带来的影响可能会更大”。许多专家探讨利用生物芯片、神经网络芯片等来实现计算机发展的突破。生物芯片源于脱氧核糖核酸(DNA)的研究，其双螺旋结构与计算机的二进制相近，如果利用生物这一结构作为信息的载体，将引起新的技术革命，人类将进入生物计算机时代。信息社会的灵活运转是建立在芯片的高集成度基础上。生物芯片虽也可高集成度，但目前人类尚缺乏对生命信息复杂性的高度概括力，生物芯片只是对重复性工作的化简，一种以空间换时间的工作策略，研究出个性化、智能化的生物信息载体还需要走遥远的路途。

(4)可穿戴计算机。近年来，由于“移动计算”和“移动网络通信”应用需求的牵引和计算机技术的快速发展，可穿戴计算机 (wearable computing)备受世界各国关注，并迅速得到了发展。

顾名思义，可穿戴计算技术就是把计算机“穿”在身上进行应用的技术，通过微小型设计和合理的布局，将各模块分布到人体的各个部位，从而能时刻伴随使用者的计算机。它与人相结合，通过无线传输构成一个移动节点，实现移动网络计算。可穿戴计算机系统实际上既是一个实时的信息处理系统，又是一个“人机结合，以人为本”的集合体。

目前，一个基本的可穿戴计算机系统主要包括微型计算机、头戴显示器、微型摄像头、GPS(全球卫星定位系统)、耳机、话筒、无线电台、手写输入板、电池等，所有设备分别戴在头上和装在衣服口袋里。系统的基本工作方式是：通过摄像头摄取图像，通过话筒和手写板分别输入语音和文字，计算机将声、图、文信息进行压缩加密后，通过电台传到另一节点或处理中心；然后，电台接收另一节点或处理中心传来的声、图、文信息并送到计算机，经过解密和解压缩后，再分别传送到显示器和耳机，可通过手写板和功能键实现简单操作。

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可穿戴计算机系统并不是简单地把一台PC机微型化后分布在身体之上，它必须研究和解决许多特殊的关键技术。这些系统和关键技术称之为“可穿戴计算技术”。归纳起来，可穿戴计算机系统具有如下功能：①定位功能：通过GPS(全球卫星定位系统)可准确确定使用者的位置；②视觉延伸功能：通过摄像将现场图像传回远程接收点；③语音命令功能：通过语音来操作计算机；④手写输入功能；⑤多媒体集成功能；⑥决策功能：根据现场信息做出预测分析和决策。

总之，凡有助于缩小人机隔阂，有助于建立和谐人机环境的理论、方法、技术和产品都具有强大的生命力。可穿戴计算技术这一人机合一的技术一定会迅速地发展起来。

(5)网络技术。网络技术是科学家面对数字时代对科学研究提出了新的挑战而提出的新概念。从生物领域的后基因组计划的解读，到高能物理领域更深层次物质结构的研究；再到哈勃望远镜所获取的大量宇宙数据；再到气象、地震预报预测 。这些重大科学领域的大规模的科学计算对计算机提出越来越高的要求，促成了科学家要利用分布在世界各地的计算机资源，通过高速网络联接起来，共同完成计算问题。

计算机网络是一种整合计算资源的新手段，它不像传统的超级计算机那样放在一个单独的地方，而是在巨型计算机与互联网技术的基础上推出的一项新变革，它将分布在各地的计算机资源包括CPU、存储器、数据库等，通过高速的互联网组成充分共享的资源集成。因特网的作用是将各种计算机联接起来，网站是将各信息资源联接起来，而网络则是将各种计算机资源联接起来。

网络节点是一些高性能的计算机。数据库是存储包括天文、基因等信息和数据的“仓库”。贵重仪器包括理论物理研究的粒子加速器、大口径雷达、天文望远镜等科学仪器和精细打印设备。网络计算软件包括网络操作系统、网络编程与使用环境以及网络应用程序。

网络技术对网络安全的要求是很高的，特别是涉及到国防、国家重点的科研项目，应该说，网络安全与网络技术开发同样重要。网络安全主要包括：网络系统安全、数据传输安全、信息存储安全。目前我国网络发展情况存在着开发快，而应用能力和安全保护能力落后的现状，在网络技术的开发中应吸取这些教训。

目前，由欧美的4大计算机中心和6大高能物理计算机基地组建了国际性的网络技术环境，他们之间以1Gbps以上的带宽通道相互联接。网络技术已引起欧美科学界的极大兴趣，各行各业都在积极参与到网络技术的开发应用中，通过网络的一系列技术，共同使用整个网络上的资源。

美国国际商用机器公司(IBM)正在研制一种能被多家科研单位和众多科学家同时使用的超级计算机网络，其设计运算速度为每秒13．6万亿次，比1997年战胜国际象棋特级大师卡斯帕罗夫的“深蓝”超级计算机速度快1000倍，其存储能力将达600万亿字节。

IBM正在研制的这种计算机网络采用LINUX系统组合，其超级计算机的服务器装有英特尔公司生产的代号为McKinley的新一代Itaniium微处理器，其功能将是目前全球同类系统中最强的。它将成为生物工程、气候模拟、能源探索等领域科学研究的重要工具。

思考题

1．你认为“微电子技术是信息社会的基石”的说法正确吗?为什么?

2．什么是“3C”革命和“3A”革命?

3．查看一下你所持有的各种“卡”，它们都属于哪一种卡。你是根据什么判断的?

4．半导体工业的摩尔定律是什么?

5．现在使用的计算机属于第几代计算机?请描述它的发展方向。

6．什么是人工智能?

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7．“机器智能”和“智能机器”的含义是什么?

8．专家系统一般包括哪些组成部分?

9．你认为人工智能是否能代替人类智能，并请陈述理由。

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